土星环是如何形成的？尽管人们从发现它的那一刻开始，就提出了许多猜测，但没有一个令人信服。直到2022年9月15日，麻省理工学院的杰克·韦斯丹姆领导的一项新研究发表在《科学》杂志上。

杰克·韦斯丹姆

韦斯丹姆团队认为，在1.5亿年前发生的一次剧烈事件，不仅可以解释土星环的形成，还可以解释只有在土星系统中才可能发现这一奇异的属性。现在，就让我们看看这个疯狂但充满希望的新想法背后的科学原理。

将要消失的土星环

在夜空中可见的所有行星中，无论是用肉眼还是借助强大的望远镜，没有一个比土星更容易辨认或更具有标志性。土星有着巨大的环系统，这个独特的外观，使它有别于所有其他已知的行星。1609年，伽利略首次以“耳朵”的形式观察到土星。之后，更清晰的视角显示，土星的形状并不像两栖动物的眼睛，而是有一个广阔的环。随着时间的推移，人们在土星环的上方、下方、内部、外部发现了缝隙、卫星和大量其他特征。

岩质行星、小行星或柯伊伯带天体都没有环。木星、天王星和海王星拥有这样的环，但它们的都比土星的环稀疏得多，体积更小、质量也更小。此外，土星的环是倾斜的，几乎完全由水冰构成，并且处于蒸发过程中。土星环曾经被认为是太阳系的支柱，现在科学家相信，土星环形成于大约1亿年前宇宙的一瞬间，应该会在不到1亿年内消失。

土星的高反射和容易看到的环，主要由水冰组成，可以说是这颗行星最显著的特征。从地球上的望远镜和卡西尼号任务的现场测量结果来看，土星正在通过两个相关过程的结合快速吞噬自己的光环：电离环雨和多尘/冰的赤道坠落。

造成这一现象的原因有两个。首先，来自太阳的紫外线照射到水冰环上，就像来自流星体的等离子云一样。这些会激发环中的分子和原子产生离子。然后，土星的带电电离层与这些离子相互作用，将它们汇集到南北高纬度地区：形成环雨。

与此同时，当卡西尼号从土星环和行星之间经过时，它发现内环的粒子正在落到行星的赤道区域。结合这两种效应——赤道降水和高纬度环雨——我们可以测量环系统内的质量损失率，并推测土星环的年龄和寿命。

它们并没有在太阳系45亿年的历史中全部存在，相反，它们很可能是在不到1亿年前被创造出来的，并将在接下来的1亿年内几乎完全消失。

土星环成因的线索

那么，土星的光环是从哪里来的呢？它们是如何被创造出来的？尽管我们现在只得到了土星系统的一个快照，但在各种现存的物体中都有一些线索。通过观察它们，我们可以更好地了解土星光环是如何以及何时出现的。

提示一：土卫一

虽然在土星的主环内有许多卫星和小卫星，但土卫一——土星的第七大卫星——是第一颗位于土星环系统之外的卫星。土卫一的平均直径只有约400公里，但它却是球形的，这使它成为太阳系中被拉成球形的最小的卫星。

卡西尼号拍摄到的土卫一

然而，土卫一也有一个巨大的撞击坑 (名为赫歇尔)，其直径约为整个卫星直径的三分之一。形成这个陨石坑的撞击几乎粉碎了整个世界，因为可以在土卫一和赫歇尔的正对面找到大量的裂缝：在对跖点。尽管据估计赫歇尔大约在41亿年前形成，这表明土卫一可能是土星的一颗原始卫星，但它也提醒我们，世界可以被足够大的撞击完全摧毁。(土星的第五大卫星特提斯也有一个类似的大撞击坑，这表明土卫一并非唯一遭到撞击的卫星。)

线索二：土卫二和土星的e环

土星的下一个主要卫星，从土卫一向外移动，是土卫二。它比土卫一更大、质量更大，但也以一种令人费解的方式活跃得多。尽管土卫二受到的来自土星的潮汐力比土卫二小得多，但它的南极会发生大规模喷发，那里由盐水、沙子、氨和有机分子组成的化学柱通常会在冰冷的星球表面上延伸300多公里。这些物质并没有全部落回到土卫二上，而是伸展开来，形成一个弥散的环，主要由水冰组成，与土卫二的轨道一致，被称为土星的e环。

卡西尼号拍摄到的土卫二

因为土卫二失去质量的速度如此之快，而且似乎还有大量的地下海洋，一个有趣的问题出现了：土卫二的年龄有多大？它是由创造了土卫一和其他许多卫星的原始土星星云形成的，还是很久以后才出现，由之前被摧毁的卫星残骸的碎片形成的？

与环绕土星的其他大型卫星相比，土卫二可能相对年轻。最近对它年龄的两项估计分别是1亿年和10亿年左右。

土星光环起源的一种可能性

如果你看了以上这两条线索，你可能会想象出土星光环起源的一种非常合理的可能性：先前存在的一颗在土星内部轨道上运行的卫星，被一个巨大的、快速移动的物体击中，并完全粉碎。这些物质会重新形成一些新的卫星——比如土卫二和环内最里面的卫星——以及环本身。这种情况可以解释土星的年轻而冰丰富的环，以及土卫二的奇异特性，而不会影响其他土星卫星的特性。

当然，这种解释还无法解释其他一些特性，比如为什么土星有如此大的轴向倾斜，以及为什么所有的卫星 (土卫八内部) 和土星环相对于土星的旋转都有同样小的轨道倾斜。

土星的轴向倾斜达到了26.73°，比木星3.13°轴向倾斜大得多。土星和地球的轴倾角接近，这导致了它也有季节。地球上的季节每个大约持续3个月，而土星上的季节每个大约持续7年。

这个解释带来的另一个问题是：为什么这样的碰撞会在同一平面上产生新的环和新的卫星呢？为什么土星 (以及它的环和卫星) 相对于木星及其环和卫星如此严重地倾斜？

也许这是一个迹象，表明我们还应该关注其他线索。

线索四：海王星的卫星系统

海王星，如果你观察他的卫星，海卫一的轨道内侧还有7颗规则卫星，其运行轨道与海王星相同，并且靠近海王星的赤道面。海卫一是海王星系统中迄今为止最大、质量最大的卫星，几乎是海卫八的1000倍。

海卫一的轨道与所有其他卫星都有一个严重的角度，方向相反 (逆行)，其组成使它类似于柯伊伯带天体，而不是其他海王星卫星。海卫一绕海王星运行的时间不到6天，在海卫一轨道之外，海王星的其他卫星的轨道周期以年为单位，它们的角度各不相同，偏心率也很大。

海王星卫星轨道图

在某个时刻，海卫一进入了海王星系统，扰乱和/或清除了外层的卫星，并进入了当前的轨道。只有海卫二，即使它带有一个大大的“可能”，可能会从海王星的外层原始卫星中存留下来，这告诉我们，大的质量可以轻易地“清除”一个行星系统：这显然没有发生在土星内部350万公里的范围内。(而土星的主环只延伸到15万公里以内。)

新的解释：被撕裂的“蝶蛹”

这是很多背景知识，但它都为理解最新的想法提供了必要的背景。将所有这些拼图拼接在一起，我们得到下面的画面。

在很久以前，在土卫六和土卫八之间，有一颗巨大的卫星环绕着土卫二，它的名字叫蝶蛹。蝶蛹的质量必须与土卫八相当，但要在45天左右完成绕土星公转。由于蝶蛹的存在:

土星的卫星土卫六会向外移动
导致土卫六、土卫七和土卫八的偏心增加，土卫八也可能有很大的倾斜
而土星通过与海王星的自旋轨道进动共振获得了较大的轴向倾斜

我们假设蝶蛹会被这些相互作用向内驱动，最终，蝶蛹将达到其自我结合能力的极限，即土星和土卫六的潮汐引力相互作用将把它撕裂，产生的碎片最终将重新结合成现在看到的环系统和额外的内部卫星。根据韦斯丹姆团队进行的模拟，这种命运是这种质量的卫星通常会发生的三种情况之一，另外两种情况是弹射和碰撞。

这张三面图展示了土星、土卫六、蝶蛹和当前环系的假设历史。当蝶蛹将土卫六向外拉时，它向内移动，导致土星的轴向倾斜改变。最终，蝶蛹在相对较近的过去被摧毁，导致了今天观察到的土星系统。

如果蝶蛹是在土星历史的早期形成的，那么它可能在数十亿年的时间里驱动了所有这些过程，不仅导致了土星的轨道倾斜，还导致了主要卫星土卫六、土卫七和土卫八的相对位置、偏心和倾角。如果蝶蛹在大约1.6亿年前被撕裂，它可能会产生内环系统和许多卫星，可能包括土卫二——它基本上位于主环之外。以前被认为是巧合的土星系统的其他特性，比如土卫五和土卫六之间的“间隙”，土卫七和土卫八之间的“间隙”，也可以用这颗曾经的卫星的存在来解释。

这是一个新颖而引人注目的场景，为星际碰撞提供了一个令人耳目一新的选择，解释了一颗前土星卫星的毁灭。但接下来的关键步骤很明确：我们必须获得支持或推翻这一理论的关键证据，确定这是否是土星在这一过程中的真实历史。通过更好地测量土星内部的质量分布，并了解其他 (尚未发现的) 环行星发生类似事件的可能性，我们最终可以有把握地确定土星环的来源和形成时间。尽管这种行星探测工作具有挑战性，但有了关键的证据，我们可以重建导致目前观察到的情况的事件。我们现在所需要的是正确的线索，发现它们的任务，还有一点运气。